DE4230074A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Gaswechselventilen je Zylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Gaswechselventilen je Zylinder, die von relativ zueinander verstellbaren Nocken, die sich auf konzentrisch zueinander angeordneten Nockenwellen befin­ den, betätigt werden.

Bei den Gaswechselventilen kann es sich dabei um die Ein­ laßventile und/oder Auslaßventile eines Brennkraftmaschi­ nen-Zylinders handeln. Eine Nockenwelle, bei der bei­ spielsweise die beiden Nocken zweier Zylinder-Einlaßven­ tile, die sozusagen parallel wirksam sind, gegeneinander verdreht werden können, ist aus der WO 91/10047 bekannt. Mit Hilfe dieses sog. Nocken-Phasings, bei dem somit der Phasenwinkel zwischen den beiden Nocken verändert werden kann, läßt sich die Gaswechseldynamik einer Hubkolben- Brennkraftmaschine in vielfältiger Weise beeinflussen. So wird bei Vorhandensein eines gewissen Phasenwinkels die gesamte Ventilöffnungsdauer verlängert, zugleich ergibt sich durch einen derartigen Phasenwinkel der Effekt, daß eines der parallel wirksamen Gaswechselventile vor dem anderen öffnet, so daß im Falle von parallel wirksamen Einlaßventilen im Brennraum ein gewünschter Einströmdrall erzeugt werden kann. Die bereits angesprochene Verände­ rung der Gesamtöffnungszeit hingegen macht sich insbeson­ dere bei parallel wirksamen Auslaßventilen bemerkbar, da hierdurch aufgrund der sog. Ventilüberschneidung, d. h. der zeitlichen Überdeckung mit dem Öffnen der Einlaßven­ tile, eine wirkungsvolle Restgassteuerung möglich ist. Es kann nämlich zur Erzielung geringer Schadstoffemissionen erwünscht sein, im Sinne einer internen Abgasrückführung betriebspunktabhängig unterschiedlich große Anteile von verbranntem Restgas aus dem vorangegangenen Verbrennungs­ takt während des folgenden Verbrennungstaktes im Brenn­ raum zu belassen.

Die aus der bereits genannten WO 91/10047 bekannte Nockenwelle kann aber beispielsweise auch je Zylinder einen Einlaßnocken und einen Auslaßnocken tragen, d. h. ein Einlaßventil und ein Auslaßventil betätigen. Dann kann mit dieser bekannten Nockenwelle beispielsweise der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventiles verändert werden, während der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventiles konstant gehalten wird . . Dabei verändert sich neben dem Phasenwin­ kel zwischen den beiden Nocken auch die sog. Spreizung des beispielsweise Einlaß-Nockens, d. h. die Phasenlage dieses Einlaß-Nockens gegenüber einer mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kurbelwelle. Die Phasenlage des Auslaß­ ventiles bleibt dabei jedoch verändert.

Für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Nocken­ welle, die im wesentlichen analog der aus der WO 91/10047 bekannten Nockenwelle aufgebaut ist, eine konstruktiv vorteilhafte Verstellvorrichtung aufzuzeigen, wobei neben dem Phasenwinkel zwischen den Nocken auch die Phasenlage, d. h. die sog. Spreizung zwischen sämtlichen Nocken sowie der mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kurbelwelle ver­ änderbar sein soll, ist Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß zur indivi­ duellen Verstellung der insbesondere beiden Nockenwellen gegenüber einer mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kur­ belwelle in Wellenlängsrichtung verschiebbare konzen­ trisch zueinander angeordnete Stellbolzen vorgesehen sind, die über Schrägverzahnungen mit der zugeordneten Nockenwelle und/oder einem Nockenwellen-Antriebsrad in Verbindung stehen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist nicht nur der Phasenwinkel beispiels­ weise zwischen einem ersten und einem zweiten Einlaß­ nocken oder Auslaßnocken der Brennkraftmaschine verstell­ bar, sondern darüber hinaus ist auch die Phasenlage des ersten Nockens und des zweiten Nockens bezüglich des Be­ wegungsablaufes des Hubkolbens bzw. bezüglich der damit gekoppelten Drehwinkellage der Brennkraftmaschinen-Kur­ belwelle veränderbar. Zwar ist auch die letztgenannte Veränderung der Phasenlage von ein oder zwei Gaswechsel­ ventilen bezüglich einer Kurbelwelle an sich bekannt, je­ doch ergeben sich durch die erfindungsgemäße Kombination sowohl der Phasenlagenveränderung aller Gaswechselventile als auch der Phasenwinkelveränderung zwischen allen Gaswechselventilen je Zylinder ungeahnte Möglichkeiten, die Ladungswechseldynamik dieses Zylinders noch weiter zu optimieren.

Erfindungsgemäß erfolgt dabei die individuelle Verstel­ lung der beiden Nockenwellen jeweils mittels eines Stell­ bolzens, wobei analog den Nockenwellen auch die beiden Stellbolzen zur Erzielung einer vorteilhaften und kompak­ ten Bauweise konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Stellbolzen sind auf ihren Außenseiten mit Schrägverzah­ nungen versehen und wirken mit den Nockenwellen, auf denen jeweils einer der Nocken angeordnet ist, derart zu­ sammen, daß die Schrägverzahnung des jeweiligen Verstell­ bolzens mit entsprechenden Schrägverzahnungen der Nocken­ wellen und/oder deren Antriebsrädern kämmt, so daß der jeweilige Verstellbolzen, wenn er in Längsrichtung der jeweiligen Nockenwelle verschoben wird, diese durch diese Verschiebebewegung um ihre Längsachse verdreht.

Bevorzugt werden die Stellbolzen hydraulisch bewegt, d. h. die Stellbolzen tragen Kolben, die in einem Hydraulik­ zylinder oder einer Hydraulikkammer angeordnet sind. Durch entsprechende Beaufschlagung mit einem Hydraulikme­ dium lassen sich dann diese Kolben und damit auch die Verstellbolzen in Längsrichtung verfahren. Es bietet sich an, die Kolben aller Stellbolzen - in einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei konzentrisch zueinander ange­ ordnete Nockenwellen und somit auch zwei konzentrisch zu­ einander angeordnete Stellbolzen vorgesehen - in einer gemeinsamen Hydraulikkammer anzuordnen. Diese Kolben un­ terteilen die Hydraulikkammer dabei in mehrere in Reihe geschaltete Hydraulikräume, im Falle von zwei Kolben er­ geben sich drei in Reihe geschaltete Hydraulikräume. Durch entsprechende Beaufschlagung dieser Hydraulikräume mit unterschiedlich hohen Druckniveaus können somit in den einzelnen Hydraulikräumen unterschiedliche Druckver­ hältnisse erzeugt werden, wodurch ein oder auch beide Stellbolzen wie gewünscht verschoben werden können. Hierzu können den Hydraulikräumen individuelle Ventile zugeordnet sein, die eine jeweils gewünschte Verbindung mit einem Hydrauliksystem herstellen oder unterbrechen, wobei das Hydrauliksystem bevorzugt zwei unterschiedliche Druckniveaus anbietet.

Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich abermals, wenn die Hydraulikkammer in das Nockenwellen-Antriebsrad integriert ist. Dann ist auch das Nockenwellen-Antriebs­ rad konzentrisch zu den bevorzugt beiden Nockenwellen so­ wie den insbesondere beiden Verstellbolzen angeordnet.

Dabei bietet es sich an, zwischen den Stellbolzen bzw. den an diesen befestigten Kolben sowie dem Nockenwellen- Antriebsrad, das zugleich die Kammerwand der Hydraulikkammer bildet, eine Längsverzahnung vorzusehen, um die Verschiebebewegung zu ermöglicht und auf einfache Weise eine Übertragung der Drehbewegung des Nockenwellen- Antriebsrades auf die Verstellbolzen und von diesen aus auf die Nockenwellen zu gewährleisten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das diese sowie wei­ tere vorteilhafte sowie ggf. erfindungswesentliche Merk­ male zeigt, wird im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen die Fig. 1a, 1b Ventilerhebungskurven zur Er­ läuterung der Begriffe des Phasenwinkels bzw. der Phasen­ lage/Spreizung, während in Fig. 2 eine erfindungsgemäß gestaltete Nockenwelle inklusive der die Phasenwinkel- bzw. Phasenlagenänderung hervorrufenden Stellbolzen in einer Prinzipdarstellung gezeigt ist.

In den Fig. 1a, 1b sind jeweils drei Ventilerhebungskur­ ven 1, 2, 3 dreier Gaswechselventile eines Brennkraftma­ schinen-Zylinders gezeigt. Die Ventilerhebungskurven 1, 2 stellen die Ventilhubverläufe zweier parallel wirkender Zylinder-Einlaßventile über der Zeitachse dar, während die Ventilerhebungskurve 3 den Hubverlauf eines Zylinder- Auslaßventiles zeigt. Mit LW-OT ist der Zeitpunkt be­ schrieben, in dem sich der Kolben während der Ladungs­ wechselphase in seinem oberen Totpunkt befindet. Die Pha­ senlage bespielsweise des ersten Einlaßventiles mit der Erhebungskurve 1 ist durch die Strecke s gekennzeichnet, die üblicherweise auch als Spreizung bezeichnet wird. Mit dem Buchstaben p ist der Phasenwinkel bezeichnet, der zwischen den parallel wirkenden Einlaßventilen bzw. deren Erhebungskurven 1, 2 eines Zylinders vorliegt. Selbstver­ ständlich stellt sich auch dieser Phasenwinkel p analog der Spreizung s über der Zeitachse als Strecke dar.

Fig. 1a zeigt die Verhältnisse bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine. Hier ist die Phasenlage bzw. Sprei­ zung s ebenso wie der Phasenwinkel p gering. Letzterer nimmt in einer bevorzugten Ausführungsform sogar den Be­ trag 0 an. Erfindungsgemäß wird bei Teillastbetrieb, der in Fig. 1b dargestellt ist, die Phasenlage/Spreizung s und der Phasenwinkel p vergrößert. Mit diesen Maßnahmen ist - wie oben geschildert - eine optimale Abstimmung des Ladungswechsels der Brennkraftmaschine im Hinblick auf die unterschiedlichen Betriebszustände bzw. Betriebs­ punkte möglich.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Nockenwelle für zwei parallel wirkende Gaswechselventile je Brenn­ kraftmaschinen-Zylinder mit stirnseitig vorgesehenen Stellbolzen zur Veränderung von Phasenlage und Phasenwin­ kel der Nocken. Ein erster Nocken für ein erstes Gaswech­ sel- bzw. Einlaßventil ist mit 11 bezeichnet, ein zweiter Nocken zur Betätigung eines parallel wirkenden Gaswech­ selventiles dieses Zylinders trägt die Bezugsziffer 12. Anschließend an diesen Nocken 12 ist die Nockenwelle ab­ gebrochen, tatsächlich erstreckt sie sich jedoch über weitere Brennkraftmaschinen-Zylinder und besitzt demgemäß weitere erste sowie zweite Nocken.

Der bzw. die erste(n) Nocken 11 ist bzw. sind auf einer ersten Nockenwelle 10 befestigt, während der bzw. die zweite(n) Nocken 12 mittels eines Bolzens 21 auf der zweiten Nockenwelle 20 befestigt ist/sind. Die erste Nockenwelle 10 ist hohlzylindrisch ausgebildet und kann somit die zweite als Vollwelle ausgebildete Nockenwelle 20 aufnehmen, d. h. die beiden Nockenwellen 10, 20 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Im Bereich der Nocken 12 bzw. der Bolzen 21 sind in der äußeren ersten Nocken­ welle 10 segmentförmige Aussparungen vorgesehen, um einen Durchtritt des Bolzens 21 auch bei Verdrehung der inneren zweiten Nockenwelle 20 gegenüber der äußeren, ersten Nockenwelle 10 um die gemeinsame Wellenlängsachse 19 zu ermöglichen.

Konzentrisch innerhalb der hohlzylindrisch ausgebildeten ersten Nockenwelle 10 ist ein ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildeter Stellbolzen 13 angeordnet. Dieser erste Stellbolzen 13 ist mit der ersten Nockenwelle 10 über eine Schrägverzahnung 14 verbunden. Konzentrisch inner­ halb des ersten Stellbolzens 13 ist ein zweiter Stellbol­ zen 23 vorgesehen, der sich bis in eine Aussparung 22 der zweiten Nockenwelle 20 hinein erstreckt. Die Wand dieser Aussparung 22, die an der Stirnseite der zweiten Nocken­ welle 20 beginnt und sich in Richtung der Wellen­ längsachse 19 erstreckt, ist bereichsweise schrägver­ zahnt. Eine Schrägverzahnung 24 gleicher Steigung befin­ det sich auf dem in die Aussparung 22 hineinragenden Teilbereich des Stellbolzens 23.

Die beiden Stellbolzen 13, 23 ragen in eine Hydraulikkam­ mer 16 hinein und tragen an ihrem Ende jeweils einen Kol­ ben 15, 25, die zusammen mit der Hydraulikkammer 16 je­ weils eine Zylinder-Kolben-Einheit bilden. Verbunden sind diese Kolben 15, 25 mit der Wand der Hydraulikkammer 16 jeweils über eine Längsverzahnung 17, so daß bezüglich dieser Hydraulikkammer 16 die beiden Kolben 15, 25 bzw. die beiden Stellbolzen 13, 23 in Richtung der Nockenwel­ len-Längsachse 19 verschiebbar sind, wobei gleichzeitig von der Hydraulikkammer 16 auf die beiden Stellbolzen 13, 23 ein Drehmoment um diese Wellenlängsachse übertragen werden kann. Die Außenwand der Hydraulikkammer 16 ist da­ her mit einem Nockenwellen-Antriebsrad 18 versehen, so daß quasi die Hydraulikkammer 16 in das Nockenwellen-An­ triebsrad integriert ist. Rotiert somit das Nockenwellen- Antriebsrad 18 um die den beiden Nockenwellen 10, 20 so­ wie den beiden Stellbolzen 13, 23 gemeinsame Wellen­ längsachse 19, so werden über die Längsverzahnung 17 die beiden Stellbolzen 13, 23 und über die Schrägverzahnungen 14 bzw. 24 die beiden Nockenwellen 10, 20 mitgenommen, so daß wie gewünscht auch die Nocken 11, 12 in eine Drehbe­ wegung um die Wellenlängsachse 19 versetzt werden.

Daneben kann der erste Stellbolzen 13 in Richtung der Wellenlängsachse 19 verschoben werden. Diese Verschiebe­ bewegung ruft aufgrund der Schrägverzahnung 14 eine Rela­ tiv-Drehbewegung der ersten Nockenwelle 10 hervor, wo­ durch die oben erläuterte Spreizung s der zugeordneten Ventilerhebungskurve 1 verändert wird. Wird der zweite Stellbolzen 23 in Richtung der Wellenlängsachse 19 ver­ schoben, so ruft dies aufgrund der Schrägverzahnung 24 eine Verdrehung der zweiten Nockenwelle 20 hervor. Hier­ durch wir der Phasenwinkel p zwischen der Ventilerhe­ bungskurve 2 des zweiten Nockens 12 sowie der Ventilerhe­ bungskurve 1 des ersten Nockens 11 verändert. Wie ein­ gangs erwähnt, läßt sich durch gezielte Anpassung der Spreizung sowie des Phasenwinkels die Ladungswechseldyna­ mik einer mit einer erfindungsgemäßen Nockenwelle inklu­ siv Stellbolzen ausgestatteten Brennkraftmaschine optimal auf die jeweiligen Erfordernisse hin auslegen.

In Richtung der Wellenlängsachse 19 verschoben werden können die beiden Stellbolzen 13, 23 durch entsprechende Beaufschlagung der an ihnen befestigten Kolben 15, 25 mit hydraulischem Druck. Wie bereits erläutert sind die Kol­ ben 15, 25 in einer Hydraulikkammer 16 geführt und unter­ teilen diese Hydraulikkammer in drei in Reihe geschaltete Hydraulikräume 31, 32, 33. Jeder dieser Hydraulikräume 31 bis 33 ist über ein individuelles Ventil 30 mit einem nicht gezeigten Hydrauliksystem derart verbindbar, daß in den einzelnen Hydraulikräumen unterschiedliche Druckver­ hältnisse eingestellt werden können, um über diese unter­ schiedlichen Druckverhältnisse eine Verschiebewegung des einen oder des anderen oder beider Kolben 15, 25 bzw. Stellbolzen 13, 23 zu bewirken.

Ist der erste Hydraulikraum 31 abgeschlossen und wird der Druck im zweiten Hydraulikraum 32 erhöht, während gleich­ zeitig der Druck im dritten Hydraulikraum 33 verringert wird, so bewirkt dies eine Verschiebung des zweiten Stellbolzens 23 nach links. Hierdurch wird beispielsweise der Phasenwinkel zwischen der Ventilerhebungskurve 2 des zweiten Nockens 12 sowie der Ventilerhebungskurve 1 des ersten Nockens 11 vergrößert. Wird hingegen der Druck im Hydraulikraum 33 erhöht, während gleichzeitig der Druck im Hydraulikraum 32 verringert wird, so wird der zweite Stellbolzen 23 nach rechts verschoben, was eine gegensin­ nige Verdrehung der zweiten Nockenwelle 20 bewirkt und somit eine Verringerung des Phasenwinkels p hervorruft.

Wird bei konstantem Druck im Hydraulikraum 33 - dann ist das zugeordnete individuelle Ventil 30 geschlossen - der Druck im zweiten Hydraulikraum 32 erhöht und im ersten Hydraulikraum 31 verringert, so verschiebt dies den ersten Stellbolzen 13 in Richtung der Wellenlängsachse 19 nach rechts und verdreht damit die erste Nockenwelle 10 beispielsweise derart, daß die Spreizung s der ersten Ventilerhebungskurve 1 vergrößert wird. Wird umgekehrt der Druck im Hydraulikraum 31 erhöht und der Druck im Hydraulikraum 32 herabgesetzt, so wird durch Linksver­ schiebung des ersten Stellbolzens 13 dann die Spreizung s verringert.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Druckverhält­ nisse in sämtlichen drei Hydraulikräumen 31, 32, 33 gleichzeitig zu verändern und somit gleichzeitig eine Variation der Spreizung s und des Phasenwinkels p zu er­ zielen. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Abwandlun­ gen insbesondere konstruktiver Art vom gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel möglich, die weiterhin unter den Inhalt der Patentansprüche fallen.

Claims (4)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Gas­ wechsel-Ventilen (Ventilerhebungskurven 1, 2) je Zy­ linder, die von relativ zueinander verstellbaren Nocken (11, 12), die sich auf konzentrisch zueinan­ der angeordneten Nockenwellen (10, 20) befinden, be­ tätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur individuellen Ver­ stellung der insbesondere beiden Nockenwellen (10, 20) gegenüber einer mit dem Hubkolben zusammenwir­ kenden Kurbelwelle in Wellenlängsrichtung (19) ver­ schiebbare konzentrisch zueinander angeordnete Stellbolzen (13, 23) vorgesehen sind, die über Schrägverzahnungen (14, 24) mit der zugeordneten Nockenwelle (10, 20) und/oder einem Nockenwellen-An­ triebsrad in Verbindung stehen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbolzen (13, 23) Kolben (15, 25) tragen, die eine gemeinsame Hydrau­ likkammer (16) für die insbesondere beiden Kolben (15, 25) in insbesondere drei in Reihe geschaltete Hydraulikräume (31, 32, 33) unterteilen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikräume (31, 32, 33) über individuelle Ventile (30) mit einem Hydrauliksystem verbindbar sind, um durch individu­ elle Ansteuerung der Ventile (30) gewünschte Druck­ verhältnisse zwischen den Hydraulikräumen herzustel­ len und somit den gewünschten Stellbolzen (13, 23) wie gewünscht zu verschieben.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikkammer (16) in das Nockenwellen-Antriebsrad (18) integriert ist.